EP3555982B1 - Überstrom- und kurzschlussdetektor - Google Patents

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EP3555982B1
EP3555982B1 EP17825798.6A EP17825798A EP3555982B1 EP 3555982 B1 EP3555982 B1 EP 3555982B1 EP 17825798 A EP17825798 A EP 17825798A EP 3555982 B1 EP3555982 B1 EP 3555982B1
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Wolfgang Hauer
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Eaton Intelligent Power Ltd
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Eaton Intelligent Power Ltd
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    • H02H3/44—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to the rate of change of electrical quantities

Definitions

  • the invention relates to an overcurrent and/or short-circuit detector according to the preamble of patent claim 1.
  • the U.S. 3,970,901 shows a method and an arrangement for short circuit detection.
  • the EP 1 772 936 A2 describes an arc detector.
  • the DE 10 63 696 B relates to an overcurrent protection circuit for AC circuits and consists in that a device is provided by which the time integral of the current from its zero crossing is measured at each half cycle and gives a command to trip a current interrupting switch as soon as the current integral over time in the course of a half-wave exceeds a predetermined value.
  • the object of the invention is therefore to specify an overcurrent and/or short-circuit detector of the type mentioned at the beginning, with which the disadvantages mentioned can be avoided, with which a safe and against false triggering stable overcurrent and/or short circuit detection is possible.
  • the invention also relates to a protective switching device with an actual overcurrent and/or short-circuit detector.
  • the invention further relates to a method for overcurrent and/or short-circuit detection according to patent claim 5, which solves the above-mentioned problem and results in the claimed advantages.
  • the 1 shows an overcurrent and/or short-circuit detector 1, in particular for a protective switching device 2, with at least one current sensor 3 for recording a current signal with a definable time resolution in at least one electrical current path 4, and at least one evaluation unit 5.
  • the overcurrent and/or short-circuit detector 1 is provided for monitoring at least one electrical current path 4 or an electrical conductor.
  • overcurrent and/or short-circuit detectors 1 can also be configured for a predeterminable number of electrical current paths 4 .
  • the overcurrent and/or short-circuit detector 1 has at least one current sensor 3 for each current section, which, for example, comprises a shunt, a Hall sensor and/or a Förster probe, or as another sensor.
  • the current sensor 3 is designed to record a current curve over time and has a definable time resolution. Since an analysis of the time behavior of the current is provided and transient processes are to be recorded, it is preferably provided that the current sensor 3 has a time resolution of better or less than 125 ⁇ s, corresponding to a sampling rate of 8 kHz for a digital version of the current sensor 3 . A sampling rate of at least 20 kHz, corresponding to a time resolution of 50 ⁇ s, is particularly preferred.
  • the overcurrent and/or short circuit detector 1 also has an evaluation unit 5 which is connected to the current sensor 3 in terms of communication technology, in particular circuit technology.
  • the evaluation unit 5 is preferably designed to include a microcontroller, but it can also be provided that it is designed purely in hardware or by means of a programmable logic circuit.
  • the evaluation unit 5 is designed to determine a first point in time of a predefinable steep increase in the current signal. For this purpose, the corresponding derivation is formed, which is a measure of the steepness of an increase. The so-called slew rate is determined. The steepness of the increase is compared with a limit value. If the steepness of the increase exceeds the limit value, the possibility of an overcurrent and/or short circuit is considered given and the current curve is analyzed further. In this case, a timer is started when the possible overcurrent and/or short circuit occurs. The relevant point in time is defined as the first point in time.
  • the evaluation unit 5 then forms the time integral of the current values of the current signal from the first point in time to a second point in time following this. It is preferably provided that the second point in time is at most one period duration of an applied mains frequency after the first point in time. With a mains frequency of 50 Hz, the second point in time is therefore a maximum of 20 ms after the first point in time. For selected cases, the span between the first and second point in time can also be larger.
  • the evaluation unit 5 continuously develops the integral.
  • the respective value of the integral after a certain period of time is thereby together with the Value of the current signal combined into a pair of values for the period in question.
  • This pair of values is compared by the evaluation unit 5 with at least one limit condition that can be specified.
  • the formation of the pair of values and their comparison with the limit condition is preferably carried out essentially continuously, it being provided in particular that this comparison is carried out in accordance with the sampling rate of the current sensor 3 .
  • FIG. 3 shows a graphical representation of possible values of the value pair.
  • the family of curves entered, corresponding to the representation of a hurricane, consists of a large number of curves, with each of the curves, which is a so-called locus curve, representing a possible course of the current. Since the relevant individual curves are each located within the surrounding ellipse, these are also permitted or permissible current profiles.
  • the boundary condition is as follows: ⁇ i ⁇ y 0 2 / a 2 + i ⁇ x 0 2 / b 2 ⁇ 1
  • This equation defines an ellipse 12. This is in 3 registered.
  • the overcurrent and/or short circuit detector 1 issues an overcurrent and/or short circuit message at an output 11 of the overcurrent and/or Short circuit detector 1 outputs.
  • the evaluation unit 5 is connected to the output 11 for this purpose.
  • the output 11 itself can be designed both electrically and mechanically.
  • FIG. 2 shows a block diagram of a protective switching device 2. Only a single electrical current path 4 from a first connection 6 of the protective switching device 2 to a second connection 7 of the protective switching device 2 is shown, with the protective switching device 2 also having a larger number of current paths 4 and connections 6, 7 can.
  • the protective switching device 2 is to have an actual overcurrent and/or short-circuit detector 1 .
  • the protective switching device 2 is to designed to interrupt the current path 4 after an overcurrent and/or short circuit message from the overcurrent and/or short circuit detector 1 .
  • the protective switching device 2 has a corresponding interruption unit 8, which can be designed using a switching mechanism and mechanical contacts, using hybrid switching technology or as a pure solid-state interrupter.
  • the overcurrent and/or short circuit detector 1 is connected to the interruption unit 8 .

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Überstrom- und/oder Kurzschlussdetektor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Zur Überstrom- und/oder Kurzschlusserkennung sind sog. "2-D locus curves" zum Beispiel aus DE 197 29 599 C1 bekannt. Dabei wird neben einem Momentanwert des Stromes zu einem bestimmten Zeitpunkt weiters dessen erste Ableitung nach der Zeit in die Bewertung einbezogen. Weiters sind auch sog. "3-D locus curves" bekannt, bei welchen weiters die zweite Ableitung nach der Zeit in die Bewertung einbezogen wird.
  • Diese bekannten Algorithmen bzw. deren schaltungstechnischen Umsetzungen weisen den Nachteil auf, dass diese zu unnötigem Auslösen neigen, indem diese, an sich unproblematische Ereignisse bzw. Stromverläufe als Überstrom und/oder Kurzschlussstrom detektieren. Insbesondere bei kapazitiven Einschaltströmen bzw. anderen, insbesondere sehr steilen, Stromspitzen detektieren diese einen Überstrom und/oder Kurzschluss und verursachen eine unnötige Netzabschaltung. Derartige Netzabschaltungen können zur Unterbrechung von Produktionsprozessen und Datenverlusten führen. Weiters können diese aufwendige Service- bzw. Wartungsarbeiten verursachen, indem ein Elektriker die Ursache für diese Netzabschaltungen suchen wird, solche jedoch nicht finden kann, da die Ursache im Schutzschaltgerät liegt und das Netz und die angeschlossenen Geräte ansonsten in Ordnung sind. Dies kann auch zum Ersetzen betriebssicherer Geräte führen, sofern diese als vermeintliche Fehlerquelle identifiziert wurden.
  • Die US 3 970 901 zeigt eine Methode und eine Anordnung zur Kurzschlussdetektion.
  • Die US 3 657 605 beschreibt einen Überstrom-Auslöser, welche eine geringe Neigung zu Fehlauslösungen haben soll.
  • Die EP 1 772 936 A2 beschreibt einen Lichtbogendetektor.
  • Die DE 10 63 696 B bezieht sich auf eine Schutzschaltung gegen Überstrom für Wechselstromkreise und besteht darin, dass eine Einrichtung vorgesehen ist, durch die in jeder Halbwelle das zeitliche Integral des Stromes von seinem Nulldurchgang an gemessen wird, und die ein Kommando zur Auslösung eines den Strom unterbrechenden Schalters gibt, sobald das zeitliche Stromintegral im Verlauf einer Halbwelle einen vorgegebenen Wert überschreitet.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher einen Überstrom- und/oder Kurzschlussdetektor der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem die genannten Nachteile vermieden werden können, mit welchem eine sichere und gegen Fehlauslösungen stabile Überstrom- und/oder Kurzschlussdetektion möglich ist.
  • Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale des Patentanspruches 1 erreicht. Dadurch kann eine Überstrom- und/oder Kurzschlussdetektion erfolgen, welche stabil gegen Fehldetektionen aufgrund transienter Vorgänge ist, welche Überströme und/oder Kurzschlüsse sicher erkennt, und welche einfach zu implementieren ist. Dadurch kann die Netzverfügbarkeit erhöht werden. Dadurch können die Aufwende für die Fehlersuche reduziert werden.
  • Die Erfindung betrifft weiters ein Schutzschaltgerät mit einem gegenständlichen Überstrom- und/oder Kurzschlussdetektor.
  • Die Erfindung betrifft weiters ein Verfahren zur Überstrom- und/oder Kurzschlussdetektion gemäß Patentanspruch 5, welches die vorstehend angeführte Aufgabe löst und die geltend gemachten Vorteile zur Folge hat.
  • Die Unteransprüche betreffen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
  • Ausdrücklich wird hiermit auf den Wortlaut der Patentansprüche Bezug genommen, wodurch die Ansprüche an dieser Stelle durch Bezugnahme in die Beschreibung eingefügt sind und als wörtlich wiedergegeben gelten.
  • Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen, in welchen lediglich bevorzugte Ausführungsformen beispielhaft dargestellt sind, näher beschrieben. Dabei zeigt:
    • Fig. 1 ein Blockschaltbild eines gegenständlichen Überstrom- und/oder Kurzschlussdetektors;
    • Fig. 2 ein Blockschaltbild eines gegenständlichen Schutzschaltgeräts; und
    • Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Verlaufes eines gegenständlichen Wertepaares zusammen mit der grafisch dargestellten Grenzbedingung.
  • Die Fig. 1 zeigt einen Überstrom- und/oder Kurzschlussdetektor 1, insbesondere für ein Schutzschaltgerät 2, mit wenigstens einem Stromsensor 3 zur Aufnahme eines Stromsignals mit vorgebbarer Zeitauflösung in wenigstens einer elektrischen Stromstrecke 4, und wenigstens einer Auswerteeinheit 5.
  • Der Überstrom- und/oder Kurzschlussdetektor 1 ist für die Überwachung wenigstens einer elektrischen Stromstrecke 4 bzw. eines elektrischen Leiters vorgesehen. Insbesondere können auch Überstrom- und/oder Kurzschlussdetektoren 1 für eine vorgebbare Mehrzahl an elektrischen Stromstrecken 4 ausgebildet sein.
  • Je Stromstrecke weist der Überstrom- und/oder Kurzschlussdetektor 1 wenigstens einen Stromsensor 3 auf, welcher etwa umfassend einem Shunt, einem Hallsensor und/oder einer Förstersonde ausgebildet sein kann, oder aber als anderer Sensor. Der Stromsensor 3 ist dazu ausgebildet einen zeitlichen Stromverlauf aufzunehmen, und weist eine vorgebbare Zeitauflösung auf. Da gegenständlich eine Analyse des Zeitverhaltens des Stromes vorgesehen ist und transiente Vorgänge erfasst werden sollen, ist bevorzugt vorgesehen, dass der Stromsensor 3 eine zeitliche Auflösung von besser bzw. kleiner 125 µs, entsprechend einer Abtastrate von 8 kHz bei digitaler Ausführung des Stromsensors 3, aufweist. Besonders bevorzugt ist eine Abtastrate von wenigstens 20 kHz, entsprechend einer Zeitauflösung von 50 µs, vorgesehen.
  • Der Überstrom- und/oder Kurzschlussdetektor 1 weist weiters eine Auswerteeinheit 5 auf, welche mit dem Stromsensor 3 nachrichtentechnisch, insbesondere schaltungstechnisch, verbunden ist. Die Auswerteeinheit 5 ist bevorzugt umfassend einen Mikrocontroller ausgebildet, wobei jedoch auch vorgesehen sein kann, diese rein in Hardware bzw. mittels einer programmierbaren Logikschaltung auszubilden.
  • Die Auswerteeinheit 5 ist dazu ausgebildet, einen ersten Zeitpunkt eines vorgebbar steilen Anstieges des Stromsignals zu ermitteln. Dazu wird die entsprechende Ableitung gebildet, welche ein Maß für die Steilheit eines Anstiegs ist. Es wird also die sog. Slew Rate ermittelt. Die Steilheit des Anstiegs wird mit einem Grenzwert verglichen. Wenn die Steilheit des Anstiegs den Grenzwert übersteigt wird die Möglichkeit eines Überstromes und/oder Kurzschlusses als gegeben angesehen, und der Stromverlauf weiter analysiert. In diesem Fall wird mit dem Auftreten des möglichen Überstromes und/oder Kurzschlusses ein Timer gestartet. Der betreffende Zeitpunkt wird als erster Zeitpunkt definiert.
  • Die Auswerteeinheit 5 bildet nachfolgend das zeitliche Integral der Stromwerte des Stromsignals vom ersten Zeitpunkt bis zu einem, diesem nachfolgenden zweiten Zeitpunkt. Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass der zweite Zeitpunkt maximal eine Periodendauer einer anliegenden Netzfrequenz nach dem ersten Zeitpunkt liegt. Bei einer Netzfrequenz von 50 Hz liegt der zweite Zeitpunkt also maximal 20 ms nach dem ersten Zeitpunkt. Für ausgewählte Fälle kann die Spanne zwischen erstem und zweitem Zeitpunkt auch größer sein.
  • Die Auswerteeinheit 5 bildet das Integral ständig weiter. Der jeweilige Wert des Integrals nach Ablauf einer bestimmten Zeitdauer wird dabei zusammen mit dem Wert des Stromsignals, zu der betreffenden Zeitdauer zu einem Wertepaar vereinigt. Dieses Wertepaar wird durch die Auswerteeinheit 5 mit wenigstens einer vorgebbaren Grenzbedingung verglichen.
  • Die Bildung des Wertepaares und deren Vergleich mit der Grenzbedingung erfolgt bevorzugt im Wesentlichen kontinuierlich, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass dieser Vergleich entsprechend der Samplingrate des Stromsensors 3 erfolgt.
  • Fig. 3 zeigt eine grafische Darstellung möglicher Werte des Wertepaares. Die dabei eingetragene Kurvenschar entsprechend der Darstellung eines Wirbelsturmes besteht aus einer Vielzahl von Kurven, wobei jede der Kurven, welche jeweils eine sog. Locus Curve ist, einen möglichen Stromverlauf darstellt. Da sich die betreffenden Einzelkurven jeweils innerhalb der umrandenden Ellipse befinden, handelt es sich dabei auch um erlaubte bzw. zulässige Stromverläufe.
  • In Fig. 3 ist auf der X-Achse der Stromwert i zu einem bestimmten Zeitpunkt normiert auf einen Scheitelwert des Nennstroms IN einer zu überwachenden Anlage, etwa 16 A, aufgetragen. Auf der Y-Achse ist jedoch das Integral des jeweiligen Stromwertes i, normiert auf das Integral des Nennstromes IN über eine Sinuswelle aufgetragen, wobei ω in an sich bekannter Weise die Netzfrequenz ist.
  • Die Grenzbedingung lautet insbesondere wie folgt: ∫ i − y 0 2 / a 2 + i − x 0 2 / b 2 ≤ 1
    Figure imgb0001
  • Diese Gleichung definiert eine Ellipse 12. Dies ist in Fig. 3 eingetragen.
  • Beim Vergleich des Wertepaares mit der Grenzbedingung wird also ermittelt, ob sich das Wertepaar, grafisch betrachtet, innerhalb oder außerhalb der Ellipse befindet. Befindet sich das Wertepaar während der Dauer des möglichen Überstrom- und/oder Kurzschlussereignisses stets innerhalb der Ellipse bzw. Grenzbedingung so liegt kein Überstrom und/oder Kurzschluss vor. Bezugszeichen 10 stellt ein Beispiel für ein solches Wertepaar dar, bei dem ein Überstrom und/oder Kurzschluss nicht vorlag. Sobald das Wertepaar jedoch die Ellipse verlässt und derart die Grenzbedingung verletzt bzw. nicht mehr erfüllt, liegt ein Überstrom und/oder Kurzschluss vor. Bezugszeichen 9 stellt ein Beispiel für ein solches Wertepaar dar, bei dem ein Kurzschluss vorlag.
  • Bei einem Überschreiten bzw. einer Verletzung der Grenzbedingung durch das Wertepaar, daher durch die Kombination aus beiden Werten, ist vorgesehen, dass der Überstrom- und/oder Kurzschlussdetektor 1 eine Überstrom- und/oder Kurzschlussmeldung an einem Ausgang 11 des Überstrom- und/oder Kurzschlussdetektors 1 ausgibt. Hiezu ist die Auswerteeinheit 5 mit dem Ausgang 11 verbunden. Der Ausgang 11 selbst kann sowohl elektrisch als auch mechanisch ausgeführt sein.
  • Bei einem Verfahren zur Überstrom- und/oder Kurzschlussdetektion ist entsprechend vorgesehen ein Stromsignal mit vorgebbarer Zeitauflösung in einer elektrischen Stromstrecke 4 aufzunehmen, wobei nachfolgend:
    • ein erster Zeitpunkt eines vorgebbar steilen Anstieges des Stromsignals ermittelt wird, wobei
    • ein zeitliches Integral der Stromwerte des Stromsignals vom ersten Zeitpunkt bis zu einem zweiten Zeitpunkt gebildet wird, wobei
    • in vorgebbaren zeitlichen Abständen, insbesondere im Wesentlichen kontinuierlich, ein Wertepaar, bestehend aus einem jeweiligen Wert des Integrals und dem jeweiligen Wert des Stromsignals, mit wenigstens einer vorgebbaren Grenzbedingung verglichen wird, und wobei
    • bei einem Überschreiten der Grenzbedingung durch das Wertepaar eine Überstrom- und/oder Kurzschlussmeldung ausgegeben wird.
  • Hinsichtlich bevorzugter Ausführungsmerkmale der einzelnen Verfahrensschritte sind die entsprechenden Ausführungen zum Überstrom- und/oder Kurzschlussdetektor 1 anzuwenden.
  • Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines Schutzschaltgeräts 2. Dabei ist lediglich eine einzige elektrische Stromstrecke 4 von einem ersten Anschluss 6 des Schutzschaltgeräts 2 zu einem zweiten Anschluss 7 des Schutzschaltgeräts 2 dargestellt, wobei das Schutzschaltgeräts 2 auch eine größere Anzahl an Stromstrecken 4 und Anschlüssen 6, 7 aufweisen kann.
  • Es ist vorgesehen, dass das Schutzschaltgerät 2 einen gegenständlichen Überstrom-und/oder Kurzschlussdetektor 1 aufweist. Das Schutzschaltgerät 2 ist dazu ausgebildet, nach einer Überstrom- und/oder Kurzschlussmeldung des Überstrom-und/oder Kurzschlussdetektors 1 die Stromstrecke 4 zu unterbrechen. Hiezu weist das Schutzschaltgerät 2 eine entsprechende Unterbrechungseinheit 8 auf, welche mittels Schaltschloss und mechanischen Kontakten, mittels hybrider Schalttechnologie bzw. als reiner Solid State Unterbrecher ausgebildet sein kann.
  • Der Überstrom- und/oder Kurzschlussdetektor 1 ist mit der Unterbrechungseinheit 8 verbunden.

Claims (5)

  1. Überstrom- und/oder Kurzschlussdetektor (1), insbesondere für ein Schutzschaltgerät (2), mit wenigstens einem Stromsensor (3) zur Aufnahme eines Stromsignals mit vorgebbarer Zeitauflösung in wenigstens einer elektrischen Stromstrecke (4), und wenigstens einer Auswerteeinheit (5), wobei die Auswerteeinheit (5) dazu ausgebildet ist einen ersten Zeitpunkt eines vorgebbar steilen Anstieges des Stromsignals zu ermitteln, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (5) dazu ausgebildet ist:
    - ein zeitliches Integral der Stromwerte des Stromsignals vom ersten Zeitpunkt bis zu einem zweiten Zeitpunkt zu bilden, und
    - in vorgebbaren zeitlichen Abständen, insbesondere im Wesentlichen kontinuierlich, ein Wertepaar, bestehend aus einem jeweiligen Wert des Integrals, ∫ i, und dem jeweiligen Wert des Stromsignals, i, mit wenigstens einer vorgebbaren Grenzbedingung zu vergleichen, und
    - bei einem Überschreiten der Grenzbedingung durch das Wertepaar eine Überstrom- und/oder Kurzschlussmeldung an einem Ausgang (11) des Überstrom- und/oder Kurzschlussdetektors (1) auszugeben.
  2. Überstrom- und/oder Kurzschlussdetektor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Zeitpunkt maximal eine Periodendauer einer anliegenden Netzfrequenz nach dem ersten Zeitpunkt liegt.
  3. Überstrom- und/oder Kurzschlussdetektor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzbedingungen: (∫i - y0)2/a2 + (i - x0)2/b2 ≤ 1 lautet, wobei diese Gleichung eine Ellipse definiert.
  4. Schutzschaltgerät (2) mit wenigstens einer elektrischen Stromstrecke (4) von einem ersten Anschluss (6) des Schutzschaltgeräts (2) zu einem zweiten Anschluss (7) des Schutzschaltgeräts (2), dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzschaltgerät (2) einen Überstrom- und/oder Kurzschlussdetektor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 aufweist, und dass das Schutzschaltgerät (2) ausgebildet ist, nach einer Überstrom- und/oder Kurzschlussmeldung des Überstrom- und/oder Kurzschlussdetektors (1) die Stromstrecke (4) zu unterbrechen.
  5. Verfahren zur Überstrom- und/oder Kurzschlussdetektion, wobei ein Stromsignal mit vorgebbarer Zeitauflösung in einer elektrischen Stromstrecke (4) aufgenommen wird, wobei
    - ein erster Zeitpunkt eines vorgebbar steilen Anstieges des Stromsignals ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
    - ein zeitliches Integral der Stromwerte des Stromsignals vom ersten Zeitpunkt bis zu einem zweiten Zeitpunkt gebildet wird, dass
    - in vorgebbaren zeitlichen Abständen, insbesondere im Wesentlichen kontinuierlich, ein Wertepaar, bestehend aus einem jeweiligen Wert des Integrals und dem jeweiligen Wert des Stromsignals, mit wenigstens einer vorgebbaren Grenzbedingung verglichen wird, und dass
    - bei einem Überschreiten der Grenzbedingung durch das Wertepaar eine Überstrom- und/oder Kurzschlussmeldung ausgegeben wird.
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EP (1) EP3555982B1 (de)
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DE (1) DE102016124638A1 (de)
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